Die dezentrale Antriebstechnik bietet enormes Einspar­potenzial: Einerseits wird die Kabellänge massiv reduziert und andererseits sinken die Installationskosten, außerdem fallen noch eine Reihe teurer Stecker weg.

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Die Baugrößen der in modernen Antrieben verwendeten Leistungselektronik sind in den letzten Jahren massiv geschrumpft. Dies hat dazu geführt, dass besonders bei Wechselrichtern kleinerer Leistung (<5 kW) die Kabel und Stecker überproportional teuer geworden sind. Betrachtet man derzeit übliche Maschinen mit zentralen Antrieben, erfolgt die Verdrahtung sternförmig von den Wechselrichtern im Schaltschrank zu den Motoren in der Maschine. Was dies für die Verkabelung konkret bedeutet, lässt sich am Beispiel einer Verpackungsmaschine mit sechs Achsen erläutern, von denen die erste Achse vier Meter vom Schaltschrank entfernt ist und jede weitere jeweils zwei Meter weiter angeordnet ist.

Die Motoren der Verpackungsmaschine sind vom Schaltschrank aus sowohl mit Leistung als auch mit dem entsprechenden Geberkabel zu versorgen. Dabei fällt eine beachtliche Kabellänge von insgesamt 108 m an. Dazu kommt der entsprechende Zeitaufwand nicht nur bei der Installation, sondern auch hinsichtlich der späteren Wartung. Und nicht zuletzt bedeutet viel Verkabelung immer auch viele mögliche Fehlerquellen. Kurzum: Eine derartige Anwendung birgt eindeutig großes Einspar- und Verbesserungspotenzial. Doch wie lässt sich eine signifikante Kostenreduktion konkret erreichen?

Die Einkabel-Lösung

Der erste logische Ansatz wäre sicherlich, die Menge der verwendeten Kabel insgesamt zu reduzieren. Durch die mittlerweile verfügbaren Gebersysteme, die eine Übertragung von Positionssignalen und Leistung in einem Kabel ermöglichen, ist die Einkabel-Lösung im Maschinenbau heute eine praxis­erprobte Technologie. Hierbei werden zwei Kabel – je eines für Leistung und das Gebersignal – auf ein Kabel reduziert. Und mit dieser Halbierung lassen sich nicht nur Kabel- und Steckerkosten einsparen, sondern auch der entsprechende Installationsaufwand.

Bei der Beispielmaschine aus der Verpackungsindustrie ließe sich mit diesem Ansatz die Kabellänge von 108 auf 54 m reduzieren und die Steckeranzahl halbieren. Doch diese Einsparungen haben auch ihren Preis: Höhere Hardwarekosten für den speziellen Geber können schnell die Ersparnis bei der Verkabelung neutralisieren. Deshalb ist die Einkabel-Technologie sicherlich eine probate Herangehensweise für Maschinen, bei denen ein einzelner Antrieb räumlich weit entfernt vom Zentrum der Maschine liegt. Andere Maschinen erfordern hingegen alternative Vorgehensweisen.

Die dezentrale Antriebstechnik

Nicht nur die Kabellänge reduziert sich: Mit dem dezentralen Ansatz verringert sich auch die Anzahl der Kabel, die durch die Maschine geschleift werden, erheblich.

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Zu signifikanten Einsparungen bei der Verkabelung führt nur eine dezentrale Anordnung der Leistungselektronik innerhalb der Maschine. Dieses Vorgehen orientiert sich vor allem am nachhaltigen Trend zum modularen Maschinenbau. Für unabhängige, flexibel kombinierbare Einzelmodule muss sich in erster Linie die zunehmende Zahl von Servoantrieben flexibel vernetzen und steuern lassen. Dadurch verändert sich die Verkabelungsarchitektur: Werden die Servoregler motornah in der Maschine platziert, müssen die Motorkabel (Leistungskabel und Geberkabel) nicht mehr zentral vom Schaltschrank zu jedem Antrieb gezogen werden. Stattdessen gilt es lediglich, die Leistungs- und Echtzeit-Ethernet-Kabel von einem zum anderen Servoregler durchzuschleifen. Die Motorkabel fallen dadurch jeweils sehr kurz aus.

Bei einer Maschine mit mehreren Achsen kommen hier schnell einige Meter zusammen, die eingespart werden können. Um bei unserem Beispiel der sechsachsigen Verpackungsmaschine zu bleiben, würden nur noch etwa 32 m Kabel benötigt, wenn man von rund 30 cm ­Kabellänge zwischen motornahem Servoregler und dem Servomotor ausgeht. Die Kabeleinsparung entspräche ungefähr 70 %. Und mit jedem Kabel, das nicht vorhanden ist, entfallen auch die entsprechenden Installationskosten.

Umrichter-integrierte Motoren

Ein Beispiel für dezentrale Antriebstechnik: Die kompakte ihXT-Baureihe von AMK, bestehend aus Servomotor mit Wechselrichter, setzt auf ein einfaches und kostengünstiges Verkabelungskonzept mit Steckklemmen.

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Je nach Anforderung der Maschine sind bei einer dezentralen Anordnung unterschiedliche Antriebe verwendbar. Neben der oben beschriebenen Variante mit motornah platzierten Servoreglern gibt es die Möglichkeit, Umrichter-integrierte Motoren zu verwenden. Durch die bauliche Einheit von Servomotor und Servowechselrichter entfallen zusätzlich noch die zwei Motorkabel für das Gebersignal und die Leistungsübertragung. Die Kabelmenge besagter Verpackungsmaschine würde also nochmals um fast vier Meter reduziert. Der Einspareffekt macht sich vor allem an den entfallenden Steckern bemerkbar. Allerdings sind die Anforderungen an die dezentral verbauten Antriebe nicht unerheblich: Im Produktionsalltag ist eine Robustheit der Geräte in Sachen Schock- und Vibrationsfestigkeit mindestens genauso wichtig wie deren Schutzausführung in IP65.

Im Falle der dezentralen Antriebe von AMK etwa sind diese mit getrennter Kabelführung von Zwischenkreis und Echtzeit-Ethernet-Kommunikation ausgestattet. Der nächste naheliegende Schritt wäre nun das Zusammenführen dieser beiden Leitungen in einem Kabel. Somit würde nur noch ein Kabel von einem dezentralen Servoregler zum nächsten weitergeschleift. Die hohen Anforderungen an die Schutzart führen allerdings dazu, dass die verwendeten Stecker für diese Hybridkabel oft relativ groß und verhältnismäßig teuer sind – immerhin müssen die üblicherweise verwendeten Hybridstecker zwei Funktionen erfüllen: die elektrische Verbindung und die hohe Schutzart für den dezentralen Einsatz.

Vor diesem Hintergrund hat das Unternehmen AMK sich dafür entschieden, seine neue dezentrale Baureihe ‚AMKASmart ihXT‘ mit einer vergleichsweise einfachen, kostengünstigen Lösung auszustatten: Bei diesem Antrieb wird die elektrische Verbindung über eine kostengünstige Steckklemme ausgeführt. Die Aufgabe der hohen Schutzart (IP65) übernimmt das Gehäuse des Antriebs. Das Hybridkabel wird mit den Steckklemmen vorkonfektioniert und reduziert die Installationskosten an der Maschine. Das Ergebnis ist eine extrem kompakte Antriebseinheit, mit einem schlanken und kostengünstigen Verkabelungskonzept.

Um nochmals auf unsere Beispielmaschine zurückzukommen: Mit einer Kabelgesamtlänge von nur 14 m lässt sich mit dem Einsatz der ihXT-Baureihe eine maximale Ersparnis von 84 % allein im Bereich der Verkabelung erreichen. Aus der Kombination einer neuen Art der Verkabelung mit besagter Steckklemme in Verbindung mit dem Prinzip der dezentralen Antriebstechnik ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:

• Schaltschränke schrumpfen oder können ganz entfallen;
• weniger Kabelkosten,
• geringster Verkabelungsaufwand,
• Fehlerquellen bei der Installation der Maschine werden reduziert;
• minimaler Wartungsaufwand,
• Modulbauweise erhöht die Flexibilität für Maschinenbauer;
• Time-to-market wird verkürzt und
• Schutzausführung in IP65 realisiert.

Autor:
Jürgen Rapp ist Produktmanager bei AMK.